芯片流片为什么这么贵？_芯片_成本

芯片行业对付流片都不陌生。

所谓流片，便是像流水线一样通过一系列工艺步骤制造芯片，该环节处于芯片设计和芯片量产的中间阶段，是芯片制造的关键环节。
大略来说便是将设计好的方案，交给芯片制造厂，师长西席产几片几十片样品，检测一下设计的芯片能不能用，然后进行优化。
如果测试通过，就按照这样开始大规模生产了。
所以为了测试集成电路设计是否成功，必须进行流片。
这也是芯片设计企业一样平常都在前期须要投入很大本钱的主要缘故原由。
一颗芯片从设计到量产，流片属于非常关键的环节。
当芯片完备设计出来往后须要按照图纸在晶圆上进行蚀刻，采取什么样的制程工艺，多大尺寸的晶圆，芯片的繁芜程度都会影响这颗芯片的流片成功率和本钱，而且许多芯片都不是一次就能流片成功的，每每须要进行多次流片才能得到较为空想的效果。

图源：知识向量

但流片是一件非常烧钱的事，多几次流片失落败，可能就会把公司搞垮。
2019年就曾传出小米旗下松果电子的澎拜S2系列芯片连续5次流片失落败，设计团队重组的惨痛案例。
有芯片大厂算过这笔账，14nm工艺芯片，流片一次须要300万美元旁边，7nm工艺芯片，流片一次须要3000万美元，5nm工艺芯片，流片一次更是达到4725万美元。
可见，流片对付芯片设计企业来说是一笔巨大花费，尤其是对付行业中小企业来讲，实际流片的价格频年夜厂又高很多，让本不富余的“生活”更是雪上加霜。

那芯片流片的价格为什么这么贵？

这就要提到芯片的制造事理了。
芯片制造要在很小的芯片里放上亿个晶体管，制造工艺已经到了纳米级，只能用光刻来完成。
光刻便是用光刻出想要的图形，光刻须要用到掩膜版（又称光罩，Mask），掩膜版便是把设计好的电路图雕刻在上面，让光通过后，在晶圆上刻出图形。
流片贵，一方面是由于刚开始有许多工艺须要验证，从一个电路图到一块芯片，考验每一个工艺步骤是否可行，考验电路是否具备所要的性能和功能。
芯片流片过程至少持续三个月（包括质料准备、光刻、掺杂、电镀、封装测试），一样平常要经由1000多道工艺，生产周期较长，因此也是芯片制造中最主要最耗钱的环节。
如果流片成功，就可以据此大规模地制造芯片；反之，就须要找出个中的缘故原由，并进行相应的优化设计。
个中，芯片流片贵，紧张贵在掩膜版和晶圆，这两项价格不菲且都是花费品，个中掩膜版最贵，一套中端工艺制程的掩膜版价格大约在50万美元旁边，而一片晶圆的价额也在数千美元。

掩膜版是一种由石英为材料制成的，是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，其功能类似于传统摄影机的“底片”，根据客户所须要的图形，通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的风雅图案刻制于掩膜版基板上，是承载图形设计和工艺技能等内容的载体。
然后把这种从掩膜版的图形转换到晶圆上的过程，想象成印钞机的事情流程。
把光刻机想象成印钞机，晶圆相称于印钞纸，掩膜便是印版，把钞票母版的图形印到纸张上的过程，就像光刻机把掩膜版上的芯片图形印到晶圆上一样。
光刻须要用到掩膜版，掩膜版便是把设计好的电路图雕刻在上面，让光通过后，在晶圆上刻出图形。

光刻事情事理

掩膜版的质量会直接影响光刻的质量，掩膜版上的制造毛病和偏差也会伴随着光刻工艺被引入到芯片制造中。
因此，掩膜版是下贱产品精度和质量的决定成分之一。
掩膜版的价格紧张取决于芯片所选用的“工艺节点”，工艺节点越高、流片价格就越贵。
这是由于越前辈的工艺节点，所须要利用的掩膜版层数就越多。
据理解，在14nm工艺制程上，大约须要60张掩膜版，7nm可能须要80张乃至上百张掩膜版。
掩膜版层数多了，不仅仅是由于掩膜板的价格贵，还由于每多出一层 “掩膜板”，就要多进行一次“光刻”，就要再多涂抹一次 “光刻胶”，就要再多一次 “曝光”，然后再来一次 “显影” ...，全体流程下来耗费的本钱就大大增加了。
据IBS数据显示，在16/14nm制程中，所用掩膜本钱在500万美元旁边，到7nm制程时，掩膜本钱迅速升至1500万美元。

7nm制程中，掩膜本钱大概为1500万美元

（图源：IBS）

掩膜版的总体用度，包括石英，光刻胶等原材料的本钱，Mask Writer和Inspection等机台的利用本钱，其余还有掩膜版干系数据的天生，包括OPC、MDP等软件授权、做事器利用和人工开拓本钱等等。
对付一款芯片，动辄几十层的掩膜版，须要如此多的步骤，设备、软件、职员缺一不可，用度自然昂贵。
在流片中，Mask的用度更是占很大一块，是由于前期流片阶段便是生产5-25片作为产品验证用的，紧张本钱是Mask本钱。
对应的，正式生产时，Mask的用度只算一次，后面有大量的晶圆可以分摊本钱，自然就便宜了。
准确的说该当是均匀到每一颗芯片上的用度便宜了，而不是总的流片用度便宜了。
据业内人士透露，某晶圆代工厂（Foundry） 40nm的流片本钱大概在60-90万美元。
Mask霸占大头，大约60-90万美元；晶圆本钱每片在3000-4000美元旁边。
以是，如果生产10片晶圆，每片晶圆的本钱是（90万+ 400010）/10=9.4万美元；但是如果生产10000片晶圆，那么每片晶圆的本钱是（90万+400010000）/10000=4090美元。
可见，进入量产之后，生产上万片晶圆，每片晶圆可能3000-4000美元旁边，Mask的本钱平摊到每片晶圆往后就很少了，这时候晶圆的本钱便是紧张的成本来源。
以是，如果只是量小的流片阶段，那么Mask本钱是紧张的。
反之如果量产很多，那么则是晶圆主导本钱。
其余，半导系统编制造厂的机台便宜的上百万美元，贵的上亿美元。
据理解，28nm的Mask机台就超过5000万美元一台，这些仪器，机台须要七年折旧完毕。
也便是说，大概利用一年就要丢失14%的机台代价。
晶圆代工行业设备折旧年限常日是5-7年。
据宣布，中芯国际2019年折旧用度超过了14亿，紧张是由于前辈制程的投入须要购置部分单价较高的机器设备，使得折旧用度逐年增加。
台积电2021年折旧用度更是达到近千亿新台币，创史上最高。
从工艺研发周期来讲，机器的本钱和折旧费已然很高，但将工艺的良率及可靠性调到量产哀求也是一项有寻衅的事情。
（据悉某厂搞28nm，机器2011/2012年就全部到位了, 可是5、6年后良率都还没调到严格的量产标准，可见有多难。
同时还白白丢失了多年的设备折旧用度。
）其次还有人力本钱，掩护本钱以及耗材费等，这些都是Mask本钱高的缘故原由。
据etnews宣布，随着当前供需状况恶化，掩膜版的价格还在上涨，交货韶光也几次再三被推迟，纵然支付额外用度，也很难及时购买到。
常日须要4-7天的交期最近增至14天，部分企业的交期延长到了原来的7倍。
此外，为了跟上摩尔定律，Foundry升级换代所需的设备和技能研发的投资不断增大，由于Foundry对前辈生产线的投资巨大，一定会将其本钱转嫁到客户的投片用度上。
这也导致了制造芯片的用度在不断上涨。

上述各类成分影响下，芯片流片用度成为摆在设计企业面前的一个难题。
那么，面对流片价格高的问题，有没有什么办法来降落本钱？

摩尔精英资深总监王龙向笔者表示，MPW (Multi Project Wafer) 便是一种可以帮助设计企业降落本钱的流片办法。
MPW是指由多个项目共享某个晶圆，同一次制造流程可以承担多个IC设计的制造任务，将多个利用相同工艺的集成电路设计放在同一晶圆上流片，制造完成后，每个设计可以得到数十片芯片样品，这一数量对付原型设计阶段的实验、测试已经足够。
普通来讲便是几家公司或机构一起购买一套掩膜版，然后生产出来的同一片晶圆上会同时存在有好几款芯片，待晶圆切割后，再把各自的芯片“领回家”。
而该次制造用度就由所有参加MPW的项目按照芯片面积分摊，极大地降落了产品开拓风险。
据王龙先容，MPW有一定的流程，常日由晶圆代工厂或者第三方做事机构来进行组织，各种工艺在某一年之中的MPW韶光点是预先设定好的，常日是越前辈的工艺，安排的MPW频率越高。
晶圆代工厂事先会将晶圆划好多个区域并报价，各家公司根据自己情形去预订一个或多个区域。
这对参与者来说，在设计和开拓方面有一定的进度压力。
但是比较之下，MPW带来的好处是显而易见的，采取多项目晶圆能够降落芯片的生产本钱，为设计职员供应实践机会，并促进了芯片设计的成果转化，对IC设计人才的培训，中小设计公司的发展，以及新产品的开拓研制都有相称大的促进浸染。
比拟来看，共享Mask的好处便是省钱，但是可能要等代工厂的韶光节点，须要更多的韶光。
对付那些不差钱或赶韶光的企业当然可以自己利用一套Mask（Full- Mask，全掩膜），制造流程中的全部掩膜都为自己的设计来做事，常日用于设计定型后的量产阶段。
机器一响，黄金万两。
但是，在当前产能严重紧缺的情形下，代工厂面对不同客户的产品需求、竞争上风、市场前景和操持等态度是完备不同的，代工厂会综合考虑客户下单量，后续下单稳定性以及产品所面向的市场前景来做判断。
实际上，对付大部分的中小企业来说，除了价格以外，在流片或量产环节还面临着包括产能、交期在内的诸多寻衅：

对此，中小芯片设计企业可以寻求有资源、有实力、有履历的第三方运营做事机构进行互助，一同来办理碰着的供应链难题。

以摩尔精英流片业务为例，可以供应完全的工艺平台，对接数十家主流晶圆代工厂，供应MPW、Full-mask及量产在内的不同工艺节点的流片做事，能够显著降落客户的商务本钱和沟通本钱。
另一方面，凭借自建的专业流片FAE团队，不仅为互助晶圆代工厂供应长尾客户的高效支持管理，也帮助中小公司的产品快速得到支持，帮忙客户选择最优工艺，并保障客户的数据安全。
在产能方面，利用摩尔精英的know-how帮忙中小客户去争取产能（包括大订单、订单量趋势、提前排队、及时跟踪产能动态等），帮助客户降落本钱和缩短芯片研发周期。
综合来看，无论是从技能、商务还是产能方面，选择一家靠谱的第三方机构都可以帮忙设计公司办理当前所碰着的供应链难点，供应最优解。
总而言之，处于这些需求赛道中的公司们都可能从流片做事厂商的业务中获利。

一个芯片开拓项目，须要经历从产品定义、设计、验证仿真一贯到终极流片的漫上进程，而作为“终极大考”的流片，此前漫上进程中的任何一个小轻忽都可能导致流片失落败，而一旦流片失落败每每意味着企业将面临数千万美元起的丢失和至少半年市场机遇的错失落。
这对付许多企业而言，流片失落败是无法承受之痛。
对此，芯片设计企业、制造商以及干系的行业做事平台和机构应紧密互助，上风互补，携手办理困扰开拓者的“流片难题”。